長(zhǎng)江航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 付明立

淺談配電系統(tǒng)中的諧波治理設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院 付明立

隨著社會(huì)不斷發(fā)展，民用及工業(yè)用電設(shè)備種類越來(lái)越多，電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題也越來(lái)越明顯的影響電網(wǎng)和用電設(shè)備的正常運(yùn)行，在配電系統(tǒng)中，諧波治理對(duì)于保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行尤為重要。文章主要介紹了電力諧波類別、危害，諧波電流計(jì)算，在配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中提出了抑制諧波的措施和個(gè)人體會(huì)。

配電系統(tǒng)；諧波電流；有源濾波；串聯(lián)電抗器

1 諧波的定義

交流電網(wǎng)中，存在許多非線性的用電設(shè)備，會(huì)使電壓波形變?yōu)椴煌潭然兊姆钦也ā２捎酶道锶~級(jí)數(shù)分解這些非正弦波，可分解成與工頻相同分量的基波，和基波成整數(shù)倍數(shù)的就稱為諧波。主要諧波源可參見(jiàn)表1。

表1 主要諧波源

2 諧波的危害

配電系統(tǒng)中一旦諧波超標(biāo)且未有效抑制，會(huì)對(duì)整個(gè)配電系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)生不利影響，具體可見(jiàn)表2。

表2 諧波危害

3 諧波計(jì)算

諧波是指一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，目前國(guó)際上以傅立葉分解來(lái)研究和分析。在工程配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，我們關(guān)注諧波電流。

諧波電流本身的測(cè)量、計(jì)算比較復(fù)雜，在工程設(shè)計(jì)階段往往難以搜集到足夠的電氣參數(shù)數(shù)據(jù)，一般根據(jù)下面的公式對(duì)估算：

K1------- 變壓器的負(fù)載率，常規(guī)設(shè)計(jì)一般取0.7～0.8；

THDi---- 電流總諧波畸變率，不同建筑的取值可參考表3，電流總諧波畸變率；

ST----- 變壓器額定容量（kVA）；

US----- 變壓器低壓側(cè)額定電壓（kV）。

表3 電流總諧波畸變率表

工業(yè)20%變頻驅(qū)動(dòng)、直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)水處理25%變頻器公共建筑25%調(diào)光設(shè)備、UPS、中央空調(diào)

4 諧波抑制在配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采取的抑制措施主要考慮從諧波達(dá)標(biāo)水平、效果、經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)是否成熟等多個(gè)角度綜合考慮，下面從抑制諧波干擾、諧波治理兩個(gè)大方面介紹常用的措施。

4.1 抑制諧波干擾

為了讓電力設(shè)備更好的運(yùn)行，避免諧波干擾帶來(lái)的不穩(wěn)定，配電系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)中一般是采取通過(guò)電氣設(shè)備物理空間、諧波源自身參數(shù)入手，具體方法如下：

（1）合理配電，非線性負(fù)荷靠近電源端；非線性與線性負(fù)荷由不同母線段供電。也可將諧波源改由較大容量的電源或高一級(jí)電壓的電網(wǎng)直接供電。

（2）配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，兩種電容器裝置應(yīng)遠(yuǎn)離：提高功率因數(shù)的電容器，使高頻電流流入的電力電容器?；蛘邔⒕哂兄C波互補(bǔ)性的設(shè)備集中布置，即對(duì)裝置的配置或工作方式有一定的要求。

（3）在無(wú)功功率補(bǔ)償回路中串聯(lián)非調(diào)諧諧波電抗器抑制諧波時(shí)，為避免產(chǎn)生諧振造成對(duì)系統(tǒng)諧波放大，L-C串聯(lián)支路的諧波頻率應(yīng)低于系統(tǒng)中可能產(chǎn)生諧波放大的最低次諧波頻率，或者串聯(lián)一定感抗值的電抗器，或限制電容器組的投入容量。

（4）變頻設(shè)備應(yīng)靠近被控設(shè)備。不宜將對(duì)諧波敏感的信息技術(shù)設(shè)備布置在諧波干擾源附近。

（5）選用D，Yn11型的三相變壓器供電。

4.2 諧波治理設(shè)計(jì)

前面談到的是抑制諧波干擾，雖然有一定作用，但都是被動(dòng)遠(yuǎn)離諧波，局限性強(qiáng)，無(wú)法治理或減少諧波，下面以主動(dòng)治理諧波設(shè)計(jì)的方法闡述：

采用有源濾波器：適用于當(dāng)公共連接點(diǎn)或系統(tǒng)裝置內(nèi)部接點(diǎn)處的諧波電壓超標(biāo)或諧波源的功率因數(shù)較高，如大功率整流設(shè)備。a.當(dāng)非線性負(fù)荷容量占比配電變壓器容量較大時(shí)，自然功率因數(shù)較高時(shí)，宜在變壓器低壓配電母線側(cè)裝設(shè)有源電力濾波器。b.當(dāng)一個(gè)區(qū)域內(nèi)有較分散且容量較小的非線性負(fù)荷時(shí)，宜在末端配電箱母線裝設(shè)有源濾波器。c.僅有少量非線性的重要設(shè)備，宜分散就近對(duì)成套電氣設(shè)備配置上裝設(shè)有源濾波器。

采用無(wú)源濾波器：適用大型穩(wěn)定的非線性負(fù)荷，或自然功率因數(shù)較低的單相非線性負(fù)荷以及主要為連續(xù)的3次的諧波源治理，宜采用并聯(lián)，并在諧波處就地裝設(shè)。

采用無(wú)源諧波器與有源濾波器混裝：適用容量較大、3次以上諧波含量高、頻譜特性復(fù)雜、負(fù)荷穩(wěn)定、自然功率因數(shù)低的諧波源。

4.3 諧波補(bǔ)償裝置的容量估算

前面談的都是的理論知識(shí)，在工程設(shè)計(jì)中，最終是要落實(shí)到具體計(jì)算和設(shè)備選型上，根據(jù)估算的諧波電流值進(jìn)行設(shè)備選型，也可根據(jù)公共聯(lián)接點(diǎn)或內(nèi)部聯(lián)接點(diǎn)對(duì)諧波的要求進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)合理的選型。

采用無(wú)源諧波抑制，可以根據(jù)無(wú)功容量每千乏折算成電流后按0.2～0.3的系數(shù)折算成諧波抑制電流（如果非線性負(fù)荷較多，可取0.2）。舉例：300kvar消諧式無(wú)功補(bǔ)償電流為432A，按系數(shù)0.2折算抑制86.4A的諧波電流。

采用有源濾波裝置，可以根據(jù)諧波電流的估算值作為設(shè)計(jì)選型依據(jù)。

設(shè)計(jì)舉例：某公共建筑的變電所的變壓器型號(hào)為SCB11-1000kVA，10/0.4Kv D,Yn11；Uk=6%，負(fù)載率K1=0.8，查表3取THDi=20%，根據(jù)諧波電流公式：

根據(jù)變壓器容量來(lái)消諧式無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)，采用30%～40%的變壓器容量的補(bǔ)償量，即先選擇300kvar的消諧式無(wú)功補(bǔ)償，電流為433A，按系數(shù)0,2折算即抑制86.6A的諧波電流。但消諧式無(wú)功補(bǔ)償不能完全抑制諧波，若僅僅選用消諧式無(wú)功補(bǔ)償后，系統(tǒng)諧波還達(dá)不到治理要求時(shí)則需采用有源濾波器，考慮到消諧式無(wú)功補(bǔ)償本身抵消的諧波電流，系統(tǒng)還存在的諧波電流：226.5－86.6=139.9A。根據(jù)需要再選用容量為100A～150A的三相有源濾波器。

4.4 消諧式補(bǔ)償裝置中串聯(lián)電抗器電抗率的選取

在配置消諧式補(bǔ)償裝置時(shí)，串聯(lián)電抗器選型很重要，它是根據(jù)電網(wǎng)條件、電容器參數(shù)經(jīng)過(guò)相關(guān)計(jì)算分析確定，一般來(lái)說(shuō)，基本原則是能夠消除主要數(shù)的諧波，同時(shí)還要避免其他次數(shù)諧波引起的電壓升高而超出電容器能夠承受的范圍。選擇電抗器電抗率的常用方法：

(1)僅限制涌流時(shí)，選取在0.1%～1.0%之間的電抗器，根據(jù)回路的連接線長(zhǎng)短來(lái)確定取上限值或下限值。

(2)當(dāng)電網(wǎng)中的3次諧波含量較多且超標(biāo)時(shí)，選用串聯(lián)12%的電抗器。

(3)當(dāng)電網(wǎng)中的5次諧波含量較多且超標(biāo)時(shí)，選用串聯(lián)4.5%～5.0%的電抗器。

(4)當(dāng)電網(wǎng)中的3次、5次諧波同時(shí)存在，含量較多且超標(biāo)時(shí)，選用12%和4.5%～5.0%的電抗器混和使用。采用兩種電抗率的條件是電容器組數(shù)較多，其目的是節(jié)省投資和相對(duì)全部采取12%的電抗器能減少電抗器自身消耗的容性無(wú)功。

(5)當(dāng)電網(wǎng)中3次、5次諧波含量都較小時(shí)，可不串聯(lián)電抗器。

5 諧波治理設(shè)計(jì)體會(huì)

在同一變電站或單一配電系統(tǒng)中，原則上按上述推薦值或以上治理措施進(jìn)行配置是沒(méi)有問(wèn)題的。但是，對(duì)于稍大或復(fù)雜的電網(wǎng)進(jìn)行諧波控制時(shí)，要從技術(shù)經(jīng)濟(jì)上優(yōu)化配置卻是一個(gè)復(fù)雜的工程，需要根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，才能得到最佳配置。結(jié)合筆者參與的項(xiàng)目反饋和與一些專家交流的體會(huì)，理論選取治理諧波的裝置參數(shù)（包括有源、無(wú)源濾波器，電抗器），在工程投產(chǎn)前或運(yùn)行一段時(shí)間的過(guò)程中，均應(yīng)跟蹤諧波測(cè)試，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)了解諧波運(yùn)行狀況，從而檢測(cè)這些配置參數(shù)的效果作出評(píng)價(jià)，為進(jìn)一步優(yōu)化治理諧波提出改進(jìn)措施，即是一個(gè)閉環(huán)反饋不斷改進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

總的來(lái)說(shuō)，抑制諧波的關(guān)鍵是要分清諧波源的種類、估算出諧波電流，同時(shí)還要在實(shí)際電網(wǎng)運(yùn)行中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，選擇有效方案。

[1]中國(guó)航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院組編．工業(yè)與民用配電設(shè)計(jì)手冊(cè)．第三版[M]．北京:中國(guó)電力出版社,2005．10

[2]國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集．低壓配電系統(tǒng)諧波抑制及處理11CD403[M]．北京:中國(guó)計(jì)劃出版社,2011

[3]伍永暢．無(wú)功補(bǔ)償及諧波濾波系統(tǒng)選型方案[J]．造紙科學(xué)與技術(shù),2010,(05)．

[4]顧凱．電力系統(tǒng)諧波治理[J]．電氣工程與自動(dòng)化,2011(9)．

付明立（1982—），男，湖北武漢人，碩士，工程師，現(xiàn)供職于長(zhǎng)江航運(yùn)規(guī)劃設(shè)計(jì)院，主要從事水運(yùn)工程、建筑工程的供配電設(shè)計(jì)。